3D打印的未來世界

許正

2014年年初，GE公司的研究人員宣布，未來50年內，3D打印技術將能夠成功“打印”出一臺航空發(fā)動機。要知道，航空發(fā)動機是當今裝備制造業(yè)的皇冠，它對材料技術和制造工藝的要求極高，其制造過程又非常的復雜。GE的這一宣稱，無疑又一次激起了人們的極大興趣：3D打印真的將顛覆傳統(tǒng)的制造業(yè)嗎？

從2012年以來，關于“3D打印”的話題井噴式的出現在互聯網和媒體上，很多人會誤以為3D打印是橫空出世的新技術，其實3D打印技術已經悄然發(fā)展了一個多世紀。

近20年的高速發(fā)展，是因為插上了互聯網的翅膀，使得3D打印的“軟件核心”——“數字模型”得以高速發(fā)展，再加上勞動生產力的進步和技術的革新，使得3D打印機的成本不斷下降，3D打印的“硬件基礎”也已成型。

“被打印出來”的新玩法

食品行業(yè)

很難想象，3D食物打印機將是完美的廚師。我們設想把食物的材料和配料預先放入容器內，再輸入食譜，余下的烹制程序會由它去做，輸出來的不是一張又一張的文件，而是真正可以吃下肚的食物。

3D食物打印機所使用的材料可以有很多種，有飲用水、植物油、蛋白質、碳水化合物、維生素劑和巧克力，這些材料經過混合之后加入到擠壓設備中，混合好的食物通過噴嘴直接打印成任何形狀。

2014年8月6日美國軍方對外發(fā)布了一款食品3D打印機，這臺打印機所打印出來的東西可以直接讓士兵們吃掉，這臺軍用后勤3D打印機所使用的打印材料是營養(yǎng)含量極高的物質，能夠為訓練、戰(zhàn)斗了一天的士兵提供充足的熱量，恢復身體機能，補充維生素。

建筑行業(yè)

3D打印將徹底顛覆傳統(tǒng)的建筑行業(yè)。2013年1月，荷蘭建筑師Janjaap Ruijssenaars與意大利發(fā)明家Enrico Dini一同合作，他們計劃打印出一些包含沙子和無機粘合劑的6×9（米）的建筑框架，然后用纖維強化混凝土進行填充。最終的成品建筑會采用單流設計，由上下兩層構成。該工程預計在2014年年底完成。

美國南加州大學工業(yè)與系統(tǒng)工程教授比洛克·霍什內維斯一直在研究一種新工藝——不到20小時的時間內建造一幢面積為2500平方英尺的建筑。該項目獲得美國宇航局和美國軍方的支持和資助。霍什內維斯相信他的項目可以幫助全世界大約10億急需改善住房條件的人提供足夠住房。他把該工藝稱為“輪廊工藝”，并且很希望在將來某天看到成為現實。

“輪廊工藝”的概念在設計上很簡單，但是實施起來相當復雜。該工藝由一個巨型的三維擠出機械構成。它的操作很像我們見到的打印機操作原理，不過有一個明顯不同的地方：它擠出的是混凝土。

醫(yī)療行業(yè)

在醫(yī)療界，3D打印技術也正顯現出它的獨特與便利。體外醫(yī)療器械包括醫(yī)療模型、醫(yī)療器械——如假肢、助聽器、齒科手術模板等。根據美國組織AmputeeCoalition的統(tǒng)計，目前美國有約200萬人使用3D打印假肢。

3D技術打印一顆牙只需10分鐘搞定。相對于傳統(tǒng)的種牙技術，患者需要往返醫(yī)院多次的情況將會得到明顯改善。不過最后裝進患者嘴巴，至少需要3 天。

對于助聽器，3D打印把傳統(tǒng)的9個工序縮短到了3個步驟，即掃描、制模和打印。掃描過程利用數字照相機創(chuàng)造了大約10萬到15萬個參照點，然后發(fā)送給技術人員或模型師，他們把模板和幾何形狀應用到耳朵印模上。在這個步驟中，技術人員會試驗多種組合和幾何模型，以便訂做出適合特定客戶群的助聽器，外殼用樹脂打印出來，再裝配上必要的通氣孔和電子器件。

另外， 3D打印已經進入到人體活器官的“按需打印”領域。器官移植可以拯救很多人體器官功能衰竭或損壞的患者生命，但這項技術也存在器官來源不足、排異反應難以避免等弊端。不過，隨著未來“生物打印機”的問世，這些問題將迎刃而解。

汽車行業(yè)

2014年9月15日，世界上第一輛3D打印汽車面世。這輛汽車只有40個零部件，建造它花費了44個小時，最低售價1.1萬英鎊（約合人民幣11萬元）。 這輛由美國Local Motors公司設計制造、名叫“Strati”的小巧兩座家用汽車開啟了汽車行業(yè)新篇章。

“Strati”轎車整個車身上靠3D打印出的部件總數為40個，相較傳統(tǒng)汽車20000多個零件來說可謂十分簡潔。充滿曲線的車身由黑色塑料制造，再層層包裹碳纖維以增加強度，這一制造設計尚屬首創(chuàng)。汽車由電池提供動力，最高時速約64公里/小時，車內電池可供行駛190～240公里。

盡管汽車的座椅、輪胎等可更換部件仍以傳統(tǒng)方式制造，但用3D制造這些零件的計劃已經提上日程。制造該轎車的車間里有一架超大的3D打印機，能打印長3米、寬1.5米、高1米的大型零件，而普通的3D打印機只能打印25立方厘米大小的東西。

推動創(chuàng)客化浪潮

互聯網讓有電腦的人都有機會成為企業(yè)家，如今，新科技催生了DIY（自助式）微制造運動，這樣一來，任何人都可以同時成為投資者和制造商。

3D打印結合互聯網，正在重塑傳統(tǒng)的制造產業(yè)，這是新趨勢，甚至是具有革命意義的趨勢。下面讓我們看看3D打印和互聯網結合的幾個新玩法：

線上設計與線下生產

3D打印所引發(fā)的創(chuàng)客運動是網民和現實世界交集的開始，基于那些在電腦屏幕上玩創(chuàng)意的網民，只需要在網上購買3D打印機，就可以很容易將他們的想法付諸現實。你不需要懂技術，因為機器會完成所有工作。事情變得越來越簡單，只要按下按鈕，結果就出來了。

傳統(tǒng)制造中，越復雜的產品如果需要改動的地方越多，意味著越高的成本。但在數字化制造中，這一切都在改變。制作個性化的產品并不會花費更多額外的成本，因為只需要改動模型參數，最重要的是互聯網讓有電腦和3D打印機的人，都有機會成為創(chuàng)業(yè)家，任何人都可以同時成為投資者和制造商。也許只需點擊鼠標，創(chuàng)意先在電腦里生成，然后上傳至云端，并投入任何規(guī)模的生產，可以只生產一件，也可以生產一萬件。隨之而來的，必將是一波龐大的創(chuàng)業(yè)機會。

創(chuàng)業(yè)生產輕量化

在互聯網時代的人們越來越容易獲得各種生產資源，工廠和規(guī)模化生產可以轉化為各種互聯網服務。互聯網創(chuàng)業(yè)的吸引力在于它的低門檻及長尾市場的廣泛存在，各類細分業(yè)務總能找到自己生存的空間。而傳統(tǒng)制造業(yè)限于場地及設備，過高的啟動門檻將大部分人拒之門外。3D打印機則大幅降低了進入門檻，理論上使人人都具備開展制造業(yè)務的能力。

借助于網絡平臺，產品制造的成本問題解決了，于是小型工廠將會大量出現，甚至家庭也將成為一個制造車間。制造業(yè)的長尾市場被前所未有地開發(fā)與覆蓋，每種個性化的需求都能找到制造者和消費者。圍繞這些設備與工廠，又將誕生一系列的周邊服務商業(yè)鏈條。

生產分包

互聯網上存在很多小公司，它們比大公司更快速、更靈活，現在創(chuàng)客運動將把這種趨勢延展到制造領域。創(chuàng)客運動不會馬上摧毀舊有的制造業(yè)模式，而是創(chuàng)造出一種全新的制造模式，就像互聯網至今仍沒有摧毀所有傳統(tǒng)媒體，而只是增加了一種媒介一樣。

創(chuàng)客運動能開發(fā)出越來越多的長尾市場，而大公司的業(yè)務會發(fā)生轉變，部分產品依舊面向大眾，還有一部分產品屬于小眾。在大規(guī)模制造中，傳統(tǒng)制造業(yè)依舊占據優(yōu)勢，但小批量、個性化的生產則不是它們熟悉和擅長的，如果它們想和新興的小型公司在這個市場進行競爭，就需要吸取創(chuàng)客運動的經驗，加快自己的創(chuàng)新速度，比如建立一個開源平臺，讓小公司進來參與項目的分包。

盡管仍有待完善，但3D打印技術勢必成為引領未來制造業(yè)趨勢的眾多突破口之一。這些突破口將使工廠徹底告別車床、鉆頭、沖壓機、制模機等傳統(tǒng)工具，改由更加靈巧的電腦軟件主宰。

2012年4月，《經濟學人》 雜志再登封面文章《第三次工業(yè)革命》，再次強調了3D打印技術的重要性。在此前后，《福布斯》、《紐約時報》、《連線》等諸多西方主流媒體都先后在頭版刊文，集體看好3D打印。就連擔任《連線》雜志主編11年的克里斯·安德森也選擇辭職，投身到3D打印領域。

根據美國消費者電子協會發(fā)布的年度報告，2011年全球3D打印的市場規(guī)模為17億美元，其中消費品和電子領域約占20.3%，機動車領域占19.5%，醫(yī)療和牙科領域占15.1%。 隨著汽車、航空航天、醫(yī)療保健等市場需求的持續(xù)增長，預計其市場規(guī)模到2017年可達50億美元，雖然看起來仍然是很小的規(guī)模，但預示著未來有無限大的可能。

3D打印在實體制造中的優(yōu)勢顯而易見，省去了冗長而昂貴的模具制造過程，且成本很低，并能夠制造出傳統(tǒng)方法無法企及的形狀。但是3D打印由于技術與材料發(fā)展的限制，它目前的作用還主要集中于模型制作與修改，待模型確定后，依舊離不開量產的傳統(tǒng)制造方法。

局限與未來

制造業(yè)的革新與升級是一項漫長且復雜的工程，如果認為單靠3D打印就能帶來第三次工業(yè)革命，顯然有些過于樂觀了。但是3D打印一定是推動第三次工業(yè)革命發(fā)生與前進的技術之一。

工藝制造

除了市場的發(fā)育需要時間和外力的推動之外，現階段3D打印技術本身也存在新的挑戰(zhàn)。比如3D打印不適合直接制造高精度的東西。由于3D打印材質是一層一層堆積成形，無論如何，每一層都有它的厚度，這決定了它的精度難以企及傳統(tǒng)的減材制造方法。若追求更高精度，則需不斷降低每一層的厚度，這又意味著制造時間的大幅延長。同時由于難以克服的問題，它很難生產類似于軸承、滾珠類的產品。

用3D打印技術制造可直接裝配的零件，只適用于難加工的貴重材料，或用傳統(tǒng)方法制作浪費大、甚至根本制作不出來的精度要求的復雜形狀，比如飛機或F1賽車上某些抗壓強度大、質量輕的部件。

材料領域

3D打印還未形成廣泛的工業(yè)應用，最主要原因是各類適用材料不能滿足設計要求。

3D打印材料是用于逐層堆積制作零部件的基礎原材料，也是此項應用的技術核心。由于3D打印技術采用在水平面內逐行成型、在三維結構內逐層堆積的技術原理，致使打印材料性能直接決定了成品的強度、剛度等力學性能，粗糙度等表面質量，以及防潮性、熱穩(wěn)定性、生物相容性等其他特殊性能，而材料性能又能進一步影響熱處理、表面理化處理、精加工、拋光鍍膜等后續(xù)工藝，直接影響生產成本和成型效率。

目前可應用于3D打印的材料種類較少，大量材料的應用潛能也未開發(fā)出來，但這恰恰意味著3D打印將迎來新一輪的技術創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)新，眾多巨頭企業(yè)的進入，以及政府主導下的產業(yè)布局都預示著3D打印將迎來新的發(fā)展階段。

幕后推手

3D打印真正的潛力還有賴企業(yè)界發(fā)掘——比如像空客公司這樣的企業(yè)就會探索如何用3D打印技術制造飛機零部件。隨著大企業(yè)對3D制造的興趣日益濃厚，新的原材料會不斷突破現有技術瓶頸以及原材料成本的隨之下降，同時打印機技術本身也會不斷迭代，而普通消費者能買到用更多種類材料打印的物品。就像今天我們還只能買到打印的iPhone手機殼，但是未來就會買到打印的手機了。

3D打印可以說是制造業(yè)向智能化的物聯網時代邁進的重要一步。當前我國制造業(yè)正面臨轉型升級的挑戰(zhàn)，信息化和工業(yè)化的深度融合是各產業(yè)領域的應有之義，3D打印的階段性成功為我國智能制造業(yè)的推進指明了方向。

在北京、西安、成都和武漢等城市，我國政府已經陸續(xù)開始著手對3D打印相關產業(yè)進行布局和規(guī)劃，從設備研發(fā)、軟件設計、材料制備和技術服務等眾多環(huán)節(jié)全面鼓勵發(fā)展3D打印產品，我們有理由相信3D打印將顛覆更多的產業(yè)和影響我們的生活。